WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 9 Гашение атомами меди обусловленной дефектами EL2 люминесценции в арсениде галлия © Ф.М. Воробкало, К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович Институт физики полупроводников Национальной академии наук Украины, 252028 Киев, Украина (Получена 10 июня 1996 г. Принята к печати 25 декабря 1996 г.) Показано, что введение атомов меди в кристаллы арсенида галлия, содержащего антиструктурные дефекты EL2, приводит к практически полному исчезновению индуцированных последними полос люминесценции с положением максимумов излучения hm = 0.63 и 0.68 эВ. Отмеченное обусловлено дезактивацией дефектов EL2 вследствие их взаимодействия с атомами меди, приводящей к образованию электрически неактивных комплексов EL2-Cu.

1. Введение и N0, N+ = f (T ). Основной компенсирующей при месью для дефектов EL2 являлись самые мелкие акИзвестно, что дефекты EL2 в GaAs, которые являются цепторы в GaAs — атомы углерода в концентрации двойными донорами с уровнями 1 на расстоянии 0.75 эВ NC 3 · 1015 см-3 < N, создающие уровни с энерниже дна зоны проводимости Ec и 2 на 0.54 эВ выше по- гией C = Ev + 0.026 эВ [8]. В используемых потолка валентной зоны Ev и представляют собой изолиро- луизолирующих нелегированных кристаллах равновесванные либо связанные в пары с межузельными атомами ная концентрация положительно заряженных дефектов мышьяка Asi или вакансиями галлия VGa антиструктур- EL2+ N+ = 3 · 1015 см-3 NC, нейтральных деные дефекты AsGa, инициируют появление в арсениде фектов EL20 N0 = 1.3 · 1016 см-3, время жизни неогаллия полос люминесценции с положением максимумов сновных носителей тока — электронов, контролируемое излучения hm = 0.63 и 0.68 эВ [1–7]1. Первая из этих иными чем EL2 дефектами, составляет n 10-10 c полос обусловлена переходом свободных электронов на при 77 K.

заполненные дырками уровни 1 = Ec - 0.75 эВ, т. е. Атомы меди, являющиеся при замещении атомов на положительно заряженные дефекты EL2+. Вторая галлия двойными акцепторами и образующие глубо полоса обусловлена переходом свободных дырок на за- кие уровни с энергиями 1 = Ev + 0.14 эВ и полненные электронами уровни 1, т. е. на нейтральные 2 = Ev + 0.44 эВ [8], вводились в полуизолирующие кристаллы GaAs в концентрации NCu 1017 см-3 N дефекты EL20. Далее мы покажем, что введение атомов путем диффузии при 750 C в течение 4.5 ч с послемеди в арсенид галлия приводит к полному гашению обусловленной дефектами EL2 люминесценции вслед- дующей закалкой. Диффузия проводилась в запаянных кварцевых ампулах, время диффузии было достаточным ствие образования электрически неактивных комплексов для равномерного насыщения кристаллов атомами меди, EL2–Cu.

закалка позволяла избежать выпадения атомов меди из твердого раствора во время охлаждения кристаллов.

2. Методика исследований Полученные таким путем кристаллы характеризовались проводимостью p-типа и имели достаточно низкое по Исходными являлись полуизолирующие, с удельным сравнению с исходными кристаллами сопротивление.

сопротивлением = 2 · 108 Ом · см при 300 K, нелегиКонцентрация равновесных дырок в них составляла при рованные кристаллы арсенида галлия с концентрацией 300 K p0 8 · 1016 см-3 — она определялась ионизацией дефектов EL2 N = 1.6 · 1016 см-3. Проводимость атомов углерода и меди, p0 NC + NCu, и при 77 K при понижении температуры T уменьшалась по эксp0 3 · 1015 см-3 — она определялась ионизацией поненциальному закону с энергией активации 0.75 эВ.

атомов углерода, p0 NC. Из установленного экспериЭто свидетельствует о том, что электрические свойства ментально при 77 K соотношения p0 NC следует, что исходных кристаллов определяются частично компенатомы углерода в них (как и в исходных полуизолируюсированными уровнями 1 = Ec - 0.75 эВ дефектов щих нелегированных кристаллах) являлись доминируюEL2 — в рассматриваемых кристаллах уровень Ферми щей мелкой примесью (см. также [8]).

был фиксирован вблизи уровня 1, т. е. N = N+ + N0 В легированных медью кристаллах при низких темпе1 ратурах (T 77 K) уровень Ферми располагался вблизи Уровню 1 = Ec - 0.75 эВ соответствуют дефекты EL2 в уровня углерода. Следовательно, дефекты EL2 в них нейтральном (EL20) и положительно заряженном (EL2+) состояниях, уровню 2 = Ev + 0.54 эВ — в положительно заряженных состояниях могли находиться в основном в положительно заряжен(EL2+) и (EL2++). Очевидно, полная концентрация дефектов ELном состоянии EL2++ (N++ = N, N+ = N0 = 0), а N = N0 + N+ + N++, а N0 + N+ + N++ = 0, где N0, N+ и N++ — атомы меди — в нейтральном состоянии Cu0 с уровнем Ga равновесные концентрации дефектов EL2 в нейтральном, однократно энергии 1 = Ev + 0.14 эВ; равновесная концентрация и двукратно заряженных состояниях, а N0, N+ и N++ — соответствующие избыточные концентрации по отношению к равновесным. нейтральных атомов меди NCu NCu. Диффузия ато1046 Ф.М. Воробкало, К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович мов меди в полуизолирующие кристаллы GaAs мало 4. Обсуждение результатов изменяла время жизни избыточных электронов n (т. е.

атомы меди не создают более эффективный канал ре- Несомненно, гашение обусловленной дефектами ELкомбинации избыточных носителей тока по сравнению с люминесценции полностью связано с атомами меди, существующими в исходных кристаллах), а также кон- так как при отжиге контрольных полуизолирующих нецентрацию электрически активных атомов углерода NC.

легированных кристаллов спектр ФЛ практически не Отжиг контрольных кристаллов (без атомов ме- изменялся (см. рисунок).

ди на их поверхности) мало изменял характеристики Как следует из самых общих соображений (см., на(, NC, n, интенсивности полос люминесценции с пример, [2]), в обсуждаемом случае интенсивности обhm = 0.63 эВ — I0.63 и с hm = 0.68 эВ — I0.68) условленных дефектами EL2 полос люминесценции I0.исходных полуизолирующих кристаллов. и I0.68 равны Фотолюминесценция (ФЛ) кристаллов арсенида галI0.63 = +u1 = c+(N+ + N+)N лия вобуждалась сильно поглощаемым излучением n гелий-неонового лазера с энергией фотонов 1.96 эВ, ко= c+(+ + +)NN, (1) n эффициент поглощения света 4·104 см-1, интенсивность потока фотонов возбуждения L 1018 см-2 · c-1, число генерируемых избыточных электронов на 1 см2 поверх- I0.68 = 0u1 =(0/+)I0.63, (2) ности кристалла N = Ln. Возбуждение мало измегде + — доля электронов, рекомбинирующих через няло концентрации дефектов EL2+ и EL20 в исходных дефекты EL2+ с излучением фотонов, 0 —доля дырок, кристаллах и атомов меди Cu0 в легированных медью Ga рекомбинирующих через дефекты EL20 с излучением кристаллах: доминирующими в процессах излучательной фотонов, u1 — интенсивность рекомбинации избыточных рекомбинации электронов являлись состояния EL2+ и электронов и дырок через уровень 1, c+ — коэффициент Cu0, а дырок — состояние EL20. Интенсивности (I) n Ga излучательного захвата электронов дефектами EL2+, индуцированных дефектами EL2 и атомами Cu полос лю+ = N+/N и + = N+/N — равновесная и минесценции почти линейно возрастали при повышении неравновесная доли дефектов EL2 в состоянии EL2+.

числа избыточных электронов. Спектры ФЛ снимались при 77 K.

3. Результаты На рисунке приведены данные, иллюстрирующие влияние атомов меди на обусловленную дефектами ELлюминесценцию в кристаллах арсенида галлия. В них обращает на себя внимание следующее.

1. В исходных кристаллах доминируют обусловленные излучательной рекомбинацией носителей тока на дефектах EL2 полосы люминесценции с hm = 0.и 0.68 эВ.

2. Отжиг контрольных кристаллов (без слоямедина их поверхности) не приводит к изменению вида исходных спектров и интенсивностей полос ФЛ.

3. Введение атомов меди в полуизолирующие нелегированные кристаллы, как и ожидалось, приводит к появлению полосы люминесценции с hm = 1.35 эВ, связанной с переходом свободных электронов на нейтральные атомы меди Cu0 [2]. Однако неожиданGa ным в этом случае явилось полное исчезновение полос люминесценции, обусловленных дефектами EL2, при этом в спектрах ФЛ не наблюдается появление иных, кроме обусловленных атомами меди, полос излучения.

Спектры ФЛ кристаллов арсенида галлия: исходные полуизолиОтличие интенсивностей полос собственной люминесрующие нелегированные кристаллы (1), после их прогрева при ценции (hm 1.51 эВ) в исходных нелегированных 750C в течение 4.5 ч без (2) и с пленкой меди на поверхности и легированнхы медью кристаллах в основном связа- (3). Температура измерения 77 K. Штриховые линии — но с различием в них концентраций свободных ды- разложение обусловленного дефектами EL2 спектра ФЛ на составляющие с максимумами излучения на 0.63 и 0.68 эВ.

рок [2].

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № Гашение атомами меди обусловленной дефектами EL2 люминесценции в арсениде галлия Как следует из (1), (2), Следовательно, основной причиной, приводящей к индуцированному атомами меди гашению обусловленI0.63 = c+N+Ln = c++NLn =(+/0)I0.68 (3) ных дефектами EL2 полос люминесценции, является n n существенное понижение концентрации изолированных в исходных полуизолирующих кристаллах GaAs (в них дефектов EL2 вследствие их взаимодействия с высокоосвещение мало изменяет исходную концентрацию деподвижными межузельными атомами меди Cui (атомы фектов в состоянии EL2+), и меди в узлах CuGa при используемых температурах отжига малоподвижны). Как отмечалось выше, изучаеI0.63 = c+N+Ln = c++NLn =(+/0)I0.68 (4) n n мые центры EL2 представляют собой, по мнению одних авторов, изолированные дефекты AsGa [1,2,4,5], а иных — в низкоомных, легированных медью кристаллах p-GaAs комплексы AsGaVGa [6,7] либо AsGaAsi [1–3,5]. Тогда (в них равновесная концентрация дефектов в состоянии наблюдаемая индуцированная атомами меди пассивация EL2+ мала — последние появляются в основном при дефектов EL2 обусловлена образованием комплексов освещении).

дефектов EL2 с атомами меди AsGaCui, AsGaCuGa либо Тогда, как следует из (3), (4), экспериментально ассоциатов AsGaAsiCui, электрофизические свойства конаблюдаемое после диффузии атомов меди существенторых существенно отличаются от соответствующих для ное уменьшение интенсивности люминесценции, обуслодефектов EL2.

вленной дефектами EL2, может быть связано со следуюНесомненно, обсуждаемый эффект гашения может щими причинами:

иметь место, если концентрация атомов меди равна 1) понижением времени жизни избыточных электролибо выше первоначальной концентрации дефектов EL2.

нов n, так как появляются новые эффективные центры Тогда большинство дефектов EL2 связываются с атомарекомбинации электронов; в результате уменьшается ми меди (концентрация созданных комплексов EL2–Cu число носителей, рекомбинирующих через дефекты EL2;

порядка первоначальной концентрации дефектов EL2); в 2) изменением доли дефектов EL2 в состоянии результате этого концентрация изолированных дефектов EL2+: + + + + 0.2 в исходных поEL2 сильно понижается и почти вся обусловленная луизолирующих кристаллах, и весьма вероятно, что дефектами EL2 люминесценция гасится. Именно этот + + + + 0.2 в легированных медью случай и реализуется в наших экспериментах.

низкоомных кристаллах;

3) пассивацией дефектов EL2 вследствие образования 5. Заключение электрически неактивных комплексов EL2–Cu.

Первое объяснение является весьма маловероятным, Атомы меди в арсениде галлия играют двоякую роль так как время жизни неравновесных электронов n, в процессах излучательной рекомбинации избыточных как отмечалось выше, практически не изменялось при носителей тока. Во-первых, они являются центрами людиффузии атомов меди.

минесценции в арсениде галлия, индуцируя появления Второе объяснение также является маловероятным.

различных полос люминесценции, обусловленных переДействительно, в этом случае из-за понижения конходом на них свободных и связанных на мелких донорах центрации дефектов в состоянии EL2+ и возрастания электронов. Во-вторых, они могут являться центрами концентрации дефектов в состоянии EL2++ следовагашения люминесценции, в частности, обусловленной ло ожидать трансформации полос люминесценции с антиструктурными дефектами EL2, вследствие образоhm = 0.63 и 0.68 эВ в иные, с максимумами вблизи 0.вания электрически неактивных комплексов EL2–Cu.

и 0.5 эВ, индуцированные переходом свободных электронов и дырок на второй донорный уровень дефектов ELСписок литературы 2 = Ev+0.54 эВ. Однако на опыте кроме обусловленной атомами меди других примесных полос люминесценции [1] А.Н. Георгибиани, И.М. Тигиняну. ФТП, 22, 3 (1988).

не наблюдалось (см. рисунок).

[2] К.Д. Глинчук, В.И. Гурошев, А.В. Прохорович. ОптоэлекНаиболее вероятным является последнее объяснение, трон. и полупроводн. техн., вып. 24, 66 (1992).

поскольку известно, что атомы меди могут связывать [3] D.J. Chadi. Phys. Rev. B, 46, 15053 (1992).

дефекты EL2 с образованием электрически неактивных [4] Q.M. Zhang, J. Bernholc. Phys. Rev. B, 47, 1667 (1993).

комплексов EL2–Cu, приводя тем самым к существенно[5] C.Y. Chang, F. Kai. GaAs high-speed devices physics, му уменьшению концентрации изолированных дефектов technology, and circuit applications (N.Y., 1994) p. 48.

EL2 [8,9]. Подтверждением этому служит наблюдае- [6] R.A. Morrow. J. Appl. Phys., 78, 3843 (1995).

мое при 77 K индуцируемое атомами меди превращение [7] R.A. Morrow. J. Appl. Phys., 78, 5166 (1995).

[8] W.J. Moore, R.L. Henry, S.B. Saban, J.S. Blakemore. Phys. Rev.

полуизолирующих кристаллов GaAs в ”проводящие”.

B, 46, 7229 (1992).

Очевидно, указанное имеет место при снижении концен[9] B.H. Yang, H.P. Gislason. In: Proc. 18 Int. Conf. Def.

трации дефектов EL2 от значения N > NC до величины Semicond. (Sendai, Japan, 1995) p. 713 [Mater. Sci. Forum, 2N < NC. Из этого следует, что если в исходных 196–201, 713 (1995)].

кристаллах N = 1.6 · 1016 см-3, то после диффузии Редактор Л.В. Шаронова атомов меди в них N > 1.5 · 1015 см-3.

Физика и техника полупроводников, 1997, том 31, № 1048 Ф.М. Воробкало, К.Д. Глинчук, А.В. Прохорович Quenching by cooper atoms the EL2-induced luminescence in GaAs F.M. Voroblkalo, K.D. Glinchuk, A.V. Prochorovich Institute of Semiconductor Physics, Ukrainian Academy of Sciences, 252028 Kiev, the Ukraine

Abstract

It is shown that introduction of cooper atoms into GaAs crystals, containing antistructural defects EL2, leads to a practically complete disappearance of the EL2-induced luminescence bands with peaks at hm = 0.63 and 0.68 eV. This fact is connected with the passivation of the EL2 defects because of their interaction with copper atoms resulting in an appearance of electrically inactive EL2–Cu complexes.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.